利用激光实时测量高温物体比辐射率及温度的系统讲课稿.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。利用激光实时测量高温物体比辐射率及温度的系统-利用激光实时测量高温物体比辐射率及温度的系统施德恒陈玉科提要：本文介绍了一种利用激光作为光源，以8031单片机为核心构成的高温物体比辐射率及温度实时测量系统。该系统主要由光学接收与发射系统、信号放大与处理系统及显示系统三部分组成。文中详细介绍了该系统的工作原理和基本结构，讨论了其中的技术难点及其相应的解决方法，分析了有、无激光脉冲时探测器测得的L2、L1及监测光路探测器测得的E的精度对比辐射率及温度测量精度的影响。关键词：比辐射率，半导体激光器，辐射温度计，高温测量，实时测量Anintelligentmeasurementinstrumentofspecificradianceandtemperatureofhightempera-tureobjectusinglaserinreal-timeShiDehengChenYuke(DepartmentofFoundation,TheFirstAeronauticalCollegeofAirforce,Xinyang464000)Abstract:Thispaperpresentsanewkindoftheintelligentspecificradianceandtemperaturemeasurementinstrumentusinglaserasalightsourceandusing8031chipprocessorinreal-time.Thisinstrumentconsistsofthreeparts:opticalemittingandreceivingsystem,signalamplifyingandcontrollingsystem,anddisplaysystem.Indetail,opticalemittingandreceivingsystemismainlycomposedoflaserdiode,collimatorlens,extenderlens,beamsplittingmirror,focusinglens,modulatingdisk,receivinglens,filtermoduleandSi-pinphotodiode.Thesignalamplifyingandcontrollingsystemismainlycomposedofsignalamplifier,samplingholdcircuit,multi-channelsimulatedswitch,A/Dconverterand8031chipprocessor.Andthedisplaysystemismainlycomposedofindicator,printerandI/Ocircuit.Thestructureandtheprincipleoftheinstrumentareintroduced.Thekeytechnologies,thecorrespondingsolutionmethodsarediscussed.Theeffectonspecificradianceandtemperaturemeasurementprecisionareanalyzed.Keywords:specificradiance,laserdiode,radiationthermometer,high-temperaturemeasurement,real-timemeasurement1引言工业生产中的许多高温物体，如运动的轧件，由于始终处于运动状态，因而难以用接触式高温计长期对其进行温度测量；使用常用的辐射温度计虽能克服接触测温中的某些弊端，但由于高温物体的比辐射率易受波长、温度、环境的辐射与反射、测量角度、以及表面状态(组分、氧化度、表面粗糙度)等多种因素的影响1，2，因而实际应用中难以对其进行及时准确的现场修正，所以也存在着较大的测温误差。目前，虽已研制出多种双色温度计3，4，5，从而避开了比辐射不易准确测量等难题，但由于这些温度计价格昂贵，因而难以在工业生产中推广使用。文6曾研究过利用激光作为光源实时测量比辐射率的系统。但该系统只有与辐射能测量系统配合使用，才能测出高温物体的真实温度。一方面，该系统与辐射能测量系统彼此独立，难于同时瞄准同一位置；另一方面，又要求与该系统配合使用的辐射能测量系统必须有与之相同的工作波长，因而应用时也面临许多困难。本文所述的这一测量系统，也使用激光作为测量光源，通过采用适当的仪表结构与软件技术，巧妙地克服了上述弊端，从而可同时得到了高温物体的比辐射率及其温度，误差分析表明，该系统的温度及比辐射率测量的标准误差及相对误差均令人满意。2原理2.1比辐射率的测量图1同时测量与T时，激光器与探测器的布置方法如图1所示，激光器与探测器对称地放置于被测高温物体表面法线的两侧，当无激光束进入探测器时，探测器接收到的仅是高温物体的辐射能L1=L(1)式中，是温度为T的待测高温物体在波长处的比辐射率；L是温度为T的黑体在波长处的单色辐射能。当有激光束进入探测器时，探测器接收到的能量则由待测面反射的激光能量和高温物体辐射的红外能量这两部分组成L2=L+E(2)式中，为被测高温物体的表面反射率；为高温物体表面镜面反射特性的光学校正系数；E为入射高温物体表面的激光能量。由基尔霍夫(Kirchhoff)定律，显然有=1-(3)由(1)、(2)、(3)三式，容易导出因此，只要监测到入射高温物体表面的激光能量E，有、无激光时探测器分别接收到的光能量L2、L1，即可算出。2.2温度的测量由黑体辐射公式L=2hc2-5exp(hc/kT)-1-1(5)结合(1)式可以导出式中，k为Boltzmann常数，k=1.38×10-23J.k-1；h为Planck常数，h=6.626×10-34J.s;c为光速，c=2.998×108m*s-1。显然，只要由(4)式求出，即可算出待测高温物体的温度。3系统描述3.1总体结构该系统主要由光学发射与接收系统、信号放大与处理系统及显示系统三部分组成，其原理结构简图见图2。图2系统的原理结构简图3.2工作过程仪器工作时，由半导体激光器产生的连续激光束，先由准直镜准直、扩束镜扩束、再由调制盘斩波、分束镜分束后发射出去。一方面，检测接收镜头接收到的脉冲光信号，由截止滤光片及窄带干涉滤光片滤光后。再经由SiPin光电二极管构成的光电转换系统转变成电信号。此电信号先经电压跟随放大电路放大、再经模数转换电路模数转换后送入8031单片机系统；另一方面，由分束镜分出的一部分脉冲激光能量，将直接由SiPin光电二极管构成的光电转换系统转变成电信号。此电信号经电压跟随放大电路放大、模数转换电路模数转换后也送入8031单片机系统，按照编定的软件进入数据处理。计算结果可直接显示或打印出来，也可绘制、打印成某一段时间内比辐射率及温度的变化曲线，同时也可通过接口将有关数据远传显示。电路中所需的各种触发与同步信号，均由同步光电系统产生：透过调制盘上镶嵌的同步滤光片的光信号，先由SiPin光电管构成的光电转换系统直接转变成电信号，再经整形放大后送入8031单片机中，由软件适当延时后分别去触发和同步各个需要触发、同步的器件。4调制盘的设计与硬件电路的实现4.1调制盘的设计图3调制盘结构简图连续激光束需要斩光才能变成脉冲激光束，高温物体的红外辐射也需要调制成脉冲光才便于测量。为此，设计出了如图3所示的调制盘，该调制盘的旋转速度为2400转/分，同时具有激光束斩光、红外辐射调制这两种功能。其斩光、调制情况如下：(1)当激光束透过1号滤光片到达待测高温物体的表面时，3号滤光片则透过激光、红外辐射光的混合光信号(L2)。此时4号滤光片透过的红外辐射经光电转换系统转换、再经适当处理后用于触发、同步各个器件以对L2及此时监测光电系统监测到的脉冲激光能量(E)进行处理；(2)当激光束透过3号滤光片到达被测高温物体的表面时，1号滤光片也透过激光、红外辐射光的混合光信号。但由于此时没有触发、同步光信号，因而后续的信号处理系统不对该信号进行处理；(3)当激光束透过2号滤光片到达被测高温物体的表面时，显然无法穿过调制盘到达探测器；(4)当辐射光透过2号滤光片到达探测器时，根据(1)中的道理，将由透过5号滤光片的辐射光去触发、同步各个器件，以对此刻探测器接收到的光信号(L1)进行处理。综合以上所述可以得出结论，调制盘每转一圈，则只能测得一次L1、L2及E的值。4.2硬件电路的实现硬件电路实现示意图见图4。图4硬件电路实现示意图同步光电系统中的SiPin光电二极管输出的电信号，先由整形放大电路整形放大，再由软件适当延时后触发检测光电系统中的采样保持电路，使之工作在采样模式，脉冲结束时，采样保持工作在保持状态；由模数转换电路对Y1路信号模数转换；同时，由软件对触发脉冲的个数计数，当触发脉冲的个数为奇数时，同时还触发监测光电系统中的采样保持电路使之保持监测激光脉冲的电压信号。此时，模数转换电路先对Y1路信号进行模数转换，尔后再对Y0路信号进行模数转换。5讨论5.1光干扰的抑制与信号采集时机的选择进入探头中的各种干扰光，最主要的是待测高温物体非测量区域的红外辐射、背景目标对待测高温物体红外辐射的反射、背景目标的红外辐射以及待测高温物体对背景目标红外辐射的反射7，8；其次是灯光等各种背景光。对于这些干扰光，主要采取以下措施予以克服：(1)利用水冷遮蔽板，这是限制杂散光进入探测系统最为有效的方法9；(2)使用孔径光阑，这是限制杂散光进入探测系统的辅助方法；(3)利用截止滤光片及窄带干涉滤光片，以滤出带宽约20nm的测量用光辐射。通过这些抗干扰措施的采用，可将干扰光对系统的影响降到最低程度。图5(a)监测光电系统(b)检测光电系统及(c)同步光电系统输出的有意义的电压波形示意图监测、检测及同步光电系统输出的有意义的电压波形如图5所示。显然，系统工作波长(0.81m)附近的尖脉冲干扰信号仍可在该图中反映出来(图5中“平顶”不平，还由滤光片的厚度并非完全一致等原因造成)，对于此类干扰，本文主要是通过选择合适的采样时机来加以解决的：(1)将触发信号适当延时，以便在电压波形的“平顶”处采样；(2)在“平顶”处等间隔采集5个点，排序后取次极大值作为该波形的特征值7，8。5.2电干扰的消除与采样周期的确定电干扰主要由电源带入及经由器件间的连线进入。但采用滤波、“双线”输入及屏蔽等方法可予以消除。适当选择信号的采集周期。也有助于消除从电源带进来的工频干扰。由调制盘的旋转速度很容易算出，L1、L2信号的周期均为25ms。而50Hz电网的干扰周期是20ms，因此，只要连续采集4N(N1，2，3)个波形累加求和取平均，即可很好地减弱50Hz的工频干扰。考虑到响应速度及分辨率，本文选择N2。即，每测一次温度，L1、L2及E分别采样8次。5.3光路中的外界干扰及其抑制的测量误差极大地影响系统的测量精度1，由误差传递理论，容易导出(4)式的标准误差可见，的标准误差受L1、L2的测量误差L1、L2及E的相对测量误差/E的影响。由于监测光路很短，因而E受外界影响很小。与L1、L2相比，可以认为于是(7)式可简化为正如文献6，7，8所述，进入光路中的水蒸汽、粉尘等都会成为外界干扰而影响L1、L2的精确测量，当粒子大小在数微米以上时，主要为散射；数微米以下时则为吸收，表示如下8L1=L+k(1-)L,T(9)L2=L+(1-)E+k(1-)L,T(10)式中，为光路中的障碍物对波长为的红外光的透过率；k为校正系数；T为障碍物的温度；L，T为障碍物的辐射强度。利用空气清洗6及通过选择适当的测量波长(0.81m)6，7，8等方法。可使(9)、(10)式中的选择适当的激光器能量，也有助于抑制外界干扰。分析表明，公式(10)中的第二项(探测器接收到的激光能量)比第一项(探测器接收到的高温物体的辐射能)大约大一个数量级时最为时宜7。若第二项太大，就难以准确测出温度，但能准确测出高温物体的比辐射率6，7，若第二项太小，则会引入大的温度及比辐射率测量误差7。下面利用上面的讨论结果对的上限作一估计。若激光源的强度足够高，以致探测器接收到的激光能量比红外辐射能量高出一个数量级，则通过比较(9)、(10)两式，容易得到在(8)式中考虑(11)式，则(8)式可简化成对于本系统，达到的测量精度是不成问题的7。以未加工的铸铁件(温度：9251115，比辐射率：0.80.9511)为例应用本系统进行温度测量，则可取0.67，8。于是，依照(10)式可算得L20.5E，0.85×10-2。于是的上限约为1%，这要比文献6，8得到的结果精确些。5.4温度的测量精度本系统是在先求出比辐射率的情况下计算出温度T的。下面按照这一思路结合5.3节得到的结果，具体分析L1、L2及E的测量误差对温度测量误差的影响。按误差传递公式，由(6)式导出的温度的标准测量误差可表示为在本文的条件下，关系式总是成立的，于是(14)式可简化为将(16)、(17)两式代入(13)中，有将5.3节中的数据代入(18)、(19)中，针对1000的铸铁件，计算可得T0.93K，(T)/(T)0.0731%，是相当精确的。可见，采用本系统实时测量高温物体的比辐射率并同时测量高温物体的温度，对准确测温具有重要意义。作者简介：施德恒，男，35岁，副教授，1990年毕业于中国科大。现在空军第一航空学院基础部，从事光电子技术及应用研究工作。已有十余篇论文收入EI、SA、CA等。陈玉科，男，35岁，讲师，1983年毕业于河南大学。现在空军第一航空学院，从事计算机应用研究工作。已发表论文十余篇。作者单位：空军第一航空学院基础部，信阳464000参考文献1姜世昌.红外测温技术.自动化仪表.1996，17(4)：142(日)温度计测部编.温度计测.东京：计测自动制御学会，昭和57年：1782353R.Peyturau等.精密多色自动高温计.红外.1994，(10)：28344岸本树直，雨仓宏.二波长比较，单波长方式的高速高精度红外温度测定装置。红外.1994，(4)：18225高稚允，高岳编著.光电检测技术.北京：国防工业出版社.1995，4086施德恒，陈安军.利用激光实时测量高温物体比辐射率的系统.激光杂志.1998，19(6)：14177高小羽.高温检测中三种数据处理方法的比较及提高测量精度的措施，空军第一航空学院毕业论文.19998施德恒，陈玉科.能同时精确测量高温物体的温度及发射率的系统.光学技术.1999，(3)，待发表9北元尺彦.辐射温度计的外界干扰及其对策.红外.1991，(7)：4710邓星钟，杨子芳，刘勃.光纤比色智能温度计采样精度的提高措施.电子测量与仪器学报.1995，9(2)：616411刘华，杜天昌，赵爱军.轧件温度实时监测微机系统.仪表技术.1996，(1)：3234-